Laminin Position as One of the Important Components of the Extracellular Matrix in Tissue Engineering of Nervous System

Transcript

1 دوره دوم شماره اول زمستان 1392 Review Article Downloaded from shefayekhatam.ir at 21: on Monday September 24th 2018 [ DOI: /acadpub.shefa ] Laminin Position as One of the Important Components of the Extracellular Matrix in Tissue Engineering of Nervous System Shahin Mohammad Sadeghi 1, 2, Sajad Sahab Negah 1, 3, Zabihollah Khaksar 3 *, Hadi Kazemi 1, 4, Hadi Aligholi 1, 5 * 1 Shefa Neuroscience Research Center, Khatam-al-Anbia Hospital, Tehran, Iran. 2 Plastic Surgery Group, Medical Faculty, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran. 3 Histology and Embryology group, Basic Science Department, Faculty of Veterinary Medicine, Shiraz University, Shiraz, Iran. 4 Pediatric Department, Medical Faculty, Shahed University, Tehran, Iran. 5 School of Advanced Technologies in Medicine, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran. Article Info: Received: 12 Jan, 2014 Accepted: 12 Feb, 2014 ABSTRACT I ntroduction: Brain damage is often irreversible due to poor brain s self-repairing ability. New treatment strategies focused on stem cell therapy and 3-dimension matrix for brain tissue injury. The extracellular matrix (ECM) of animal tissues is a complex mixture of macromolecules that play an essential instructional role in the development of tissues and organs. Therefore, tissue engineering approaches rely on the need to present the correct cues to cells and to guide them to maintain tissue-specific functions. Recent research efforts on ECM have showed various sequences and motifs, which play key roles in improvement of the brain function after injury. Conclusion: Small motif from ECM molecules can mimic some of the biological functions of their large molecules. Peptides sequences and motifs laminin can be linked to various biomaterials scaffolds and provide the cells with mechanical support. This may ensure appropriate cell growth that aids the formation of the correct tissue structure. Key words: 1. Laminin 2. Extracellular Matrix 3. Tissue Engineering 4. Nervous System * Corresponding Authors: Zabihollah Khaksar, Hadi Aligholi khaksar@sirazu.ac.ir, hadialigholi@yahoo.com 69 69

2 1392 زمستان اول شماره دوم دوره Downloaded from shefayekhatam.ir at 21: on Monday September 24th 2018 [ DOI: /acadpub.shefa ] عصبي سیستم بافت مهندسی در سلولی خارج ماتریکس مهم اجزای از یکی عنوان به المینین جایگاه *1 5 علیقلی هادی 1 4 کاظمی هادی 3* خاکسار اهلل ذبیح 1 3 نگاه سحاب سجاد 1 2 صادقی محمد شاهین ایران. تهران االنبياء خاتم بيمارستان شفا اعصاب علوم تحقیقات مرکز 1 ایران. تهران بهشتی شهید پزشکی علوم دانشگاه پزشکی دانشکده پالستیک جراحی گروه 2 ایران. شیراز شیراز دانشگاه دامپزشکی دانشکده پایه علوم گروه شناسی جنین و شناسی بافت بخش 3 ایران. تهران شاهد دانشگاه پزشکی دانشکده اطفال بخش 4 ایران. تهران تهران پزشکی علوم دانشگاه پزشکی نوین های آوری فن دانشکده 5 مقاله: اطالعات 1392 بهمن 23 پذيرش: تاريخ 1392 دي 22 دريافت: تاريخ ه چكيد استراتژیهای است. ناپذیر جبران غالبا مغز بافت ترمیم در ضعیف توانایی دلیل به مغزی آسیب مقدمه: دیده آسیب مغز بافت درمان جهت مناسب بعدی سه ماتریکس و درمانی بنیادی سلول به جدید درمانی هک است ماکرومولکولها از پیچیدهای ترکیب حیوانات بافتهای سلولی خارج ماتریکس یکنند. م توجه شقن بر بافت مهندسی نوین روشهای میکند. ایفا را ارگانها و بافتها تکامل در ضروری ساختاری نقش توالیها انواع اخیر تحقیقات کنند. می تکیه بافت ویژه عملکرد نگهداری و سلولها هدایت در الگوها دقیق از بعد مغز عملکرد بهبود در کلیدی نقش که دادهاند نشان ما به را سلولی خارج ماتریکس موتیف های و بیولوژیکی فعالیتهای میتواند سلولی خارج ماتریکس از کوچک موتیفهای نتیجهگیری: دارند. آسیب داربستها مواد بیو به می توانند المینین موتیفهای و پپتیدی توالی های کند. تقلید را بزرگ مولکولهای و کنند مراقبت سلولها رشد از است ممکن که بخشند بهبود را سلولها مکانیکی حفاظت و شوند متصل نمایند. کمک بافتی ساختار دقیق تشکیل به ها: واژه كليد المینین 1. سلولی خارج ماتریکس 2. بافت مهندسی 3. عصبی سیستم 4. علیقلی هادی خاکسار اهلل ذبیح مسئول: نويسندگان * khaksar@shirazu.ac.ir, hadialigholi@yahoo.com الكترونيكي: آدرس 70 70

3 Downloaded from shefayekhatam.ir at 21: on Monday September 24th 2018 [ DOI: /acadpub.shefa ] مقدمه مروري مقاله سلولهای 1 کنام اجزای مهمترین از سلولی خارج ماتریکس برای لنگرگاهی نمودن فراهم بر عالوه که است عصبی بنیادی سلولی رفتار تنظیم برای رسان پیام مولکولهای سلول ها اتصال جزء دو از سلولی خارج ماتریکس بهطورکلی یدهد. م ارائه را که پایه غشای و بینابینی ماتریکس است: شده ساخته اصلی و گلیکوزآمینوگلیکانها چسبنده گلیکوپروتئینهای شامل است. یونها گانه سه شبکه از مغز سلولی خارج ماتریکس در بینابینی ماتریکس ي خانواده از پروتئوگلیکان اسید هیالورونیک گلیکوزآمینوگلیکان با نهای پروتئی و ورسیکان( و نوروکان آگریکان )برویکان لکتیکان است شده تشکیل سلولی سطح به متصل تناسین از آمیخته هم به ماتریکس در اصلی ستون عنوان به که اسید هیالورونیک )1(. رد شبکه یک و یشود م باند نها پروتئوگلیکا و تناسین با یرود م کار )2(. یدهد م تشکیل لها سلو اطراف عنوان به و 3( )4 است ضروری پایه غشای تجمع برای المینین عصبی بنیادی سلولهای کنام در پایه غشای از مهمی جزء سطح گیرندههای با ارتباط طریق از و )5( میکند نقش ایفای دیستروگلیکانها آلفا و سیندیکانها اینتگرین مانند سلولی نقش تنها نه المینین 6(. )7 میکند تنظیم را سلولی رفتار متنوعی عملکردهای بلکه میکند ایفا سلولی داربست در مهمی دارد. پیام انتقال در دریافت پیام متفاوت منبع سه از کم دست بنیادی سلول هر یکند: م و خونی عروق به شده متصل زوائد بینابینی المینینهای که خونی عروق المینای بازال از مانند انگشت )زوائد فراکتونها ماتریکس مولکولهای دیگر است(. بنیادی سلول هر با تماس در پروتئوگلیکان c تناسین گلیکوپروتئین قبیل از سلولی خارج در مهمی نقش سولفات هپاران و سولفات کندروئیتین یکنند م ایفا عصبی بنیادی سلولهای تکثیر و تمایز مهاجرت نگهداری حرکت سلولی شکل سلولی تمایز در المینین )1(. ایجاد باعث المینین دارد. حیاتی نقش بافت بقاء بهبود و فنوتیپ توانایی المینین میشود. سلولی خارج ماتریکس با سلول ارتباط ماکرومولکول های به اتصال باعث عمل این که دارد را تکثیر )8(. می شود سلولی خارج بافت مهندسی کاربردهای برای سلولی خارج ماتریکس بازسازی مهندسی اصلی اهداف از دیده آسیب بافتهای کردن جایگزین فاکتورهای و سلولها کنار در بافت مهندسی در میباشد. بافت معمول طور به که میشود استفاده داربستها از مختلف داربستهای و طبیعی داربستهای میباشند: نوع دو ها داربست تطبیق زنده بافت با مکانیکی های ویژگی لحاظ از که سنتتیک )9(. کرد استفاده سلول رشد برای ها آن از میتوان و شده داده است ممکن ویژه تزریقی لهای هیدروژ و لها بیومتریا از استفاده سرنوشت کنترل و سلول بقاء افزایش برای را محیط ریز یک 1392 زمستان اول شماره دوم دوره دقیق کردن آزاد و گرفتن دست در )با عصبی بنیادی سلولهای فراهم زنده بافت و آزمایشگاه محیط در کننده( تنظیم پیامهای.)10 11( کند سنتزی مرهای پلی مانند دارد وجود ها بیومتریال از مختلفی انواع 3 اسید گلیکولیک پلی )PLLA( 2 اسید الکتیک ال پلی شامل طبیعی مرهای پلی )PEG( 4 گلیکول اتیلن پلی )PGA( آپاتیت( )هیدروکسی معدنی مواد و و...( کیتوزان )هیالورونان شرایط از یکی )12(. کرد استفاده بافت مهندسی در میتوان که مکانیکی ویژگیهای که است این بافت مهندسی در آل ایده میتواند ویژگیها این که باشد یکی هدف بافت با بیومتریالها دیگر یکی )12(. باشد گذار تأثیر سلولها تمایز و رفتار بر مهاجرت بر که آنهاست تخلخل بیومتریالها ویژگیهای از رشد فاکتورهای انتشار و نفوذ غذایی مواد به دسترسی لها سلو ار لها سلو به تمایز و رشد اجازه و یگذارد م تأثیر تها داربس در )13(. یدهد م شهای م PGA یمرهای بیوپل PLLA قبیل از لهایی بیومتریا به آگاروز و آلگینیت سلولوز متیل PEG لهای ژ کلسیم فسفات مواد کم میزان بار تراکم باال اسیدیته فیبرها بزرگ ي اندازه دلیل کاربردی طهای محی ریز ایجاد به اجازه در بودن ناتوان و غذایی مشتق لهای بیومتریا هاند. داشت محدودی موفقیت سلول توسط مخاط ریز فیبرونکتین ژالتین کالژن شامل حیوانات از شده کمک واقعی طهای محی ریز ایجاد به است ممکن ماتریژل و روده مواد وجود خاطر به درمان و پیچیده تحقیقات انجام جهت اما کند )14(. یباشند نم مناسب کننده آلوده هدایت سلولی خارج ماتریکس پروتئینهای و پایه غشای برای فاکتورها اصلی پاسخگوی و دارند عهده بر را سلولی رفتار به سلول اتصال می باشند. سلولی عملکرد و فنوتیپ نگهداری یک نگهداری و بافت تشکیل برای ماتریکس به سلول و سلول مهندسی استراتژیهای از یکی است. حیاتی عیب بدون ساختار و سلولی خارج ماتریکس و سلولها بین ارتباط آنالیز بافت میباشد. سلولی رفتار تغییرات مطالعه در کلیدی موتیفهای و اتصالی جایگاههای شناسایی رسپتورهای با ارتباط در که سلولی خارج ماتریکس پروتئینهای پپتیدهای تولید برای محققان به را اجازه این است سلولی خارج ماتریکس پروتئین های عملکرد بتواند تا میدهد کوچک با بتوانند باید کوچک پپتیدهای این کند. تقلید را بزرگ سلولی خارج ماتریکس مولکولهای از سلولی سطح رسپتورهای همان فعال را مناسب سیگنالی مسیرهای و باشند ارتباط در سلولی باشند. تماس در سلولی فنوتیپ با دائما و کنند رفتار تنظیم برای که آن فهای موتی و المینین ساختمان ادامه در دهیم. می توضیح را شدهاند استفاده بافت مهندسی در سلولی المینین ساختار است هتروتریمریک گلیکوپروتئینهای از خانواده یک المینین و β واحد زیر از زنجیره 3 α واحد زیر از زنجیره 5 کنون تا که 1 Niche 2 Poly(L-lactic acid) d 3 Polyglycolic acid 4 Polyethylene glycol

4 1392 زمستان اول شماره دوم دوره Downloaded from shefayekhatam.ir at 21: on Monday September 24th 2018 [ DOI: /acadpub.shefa ] 5(. )8 است شده شناسایی 1( )جدول γ واحد زیر از زنجیره سه را ایزوفروم نوع 15 حداقل تشکیل واحد زیر سه این ترکیب از که 15(. )16 داشت خواهیم فعالیت های که می باشد 1α 1 β 1 γ زنجیره سه شامل المینین 1 1 رشد مهاجرت سلولی اتصال بهبود قبیل از متفاوتی بیولوژیکی المینین نوع این بیان )8(. دارد آنژیوژنز و توموری متاستاز آکسونی روش با ییابد. م افزایش آلزایمر و مغزی داون سندرم یهای بیمار در )15(. المینینشناساییشدهاند از سنتزپپتیدیچندینتوالیفعال در جنینی ي دوره طول در که است المینینی اولین α 1 المینین آزمایشگاهی شرایط در مطالعه با 17(. )18 یشود م بیان موش فراوانی بیولوژیک تهای فعالی المینین از نوع این که شد داده نشان آکسونی رشد سلولی مهاجرت سلولی اتصال بهبود قبیل از رد )19-21(. یشود م باعث را توموری متاستازی و قزایی عرو در Reicherts غشای هستند α 1 المینین فاقد که موش هایی جنین المینین )18-22(. یمیرند م جنینی 7 روز در و ندارد وجود نها آ مخچه در گرانولی ساز پیش لهای سلو مهاجرت و تکثیر برای α 1 تشکیل و گیری قرار و Bergmann گلیالی زوائد لگیری شک برای و )23(. است ضروری پورکینژ لهای سلو دندریت المینین در IKVAV و YIGSR اسیدی آمینو توالی های گلیسین ایزولوسین )تیروزین YIGSR آمینواسیدی توالی توالی )24(. دارد قرار β 1 ي زنجیره روی بر 5 آرژنین( و سرین ستیغهای مهاجرت اندوتلیالی سلولهای اتصال در YIGSR YIGSR 16(. 25 )26 میشود درگیر سلولی پیام های و عصبی YIG- وقتی بهعالوه )27(. یکند نم حمایت پالکتها اتصال از سلولهای حرکت و تکثیر افزایش میشود ترکیب FGF با SR )28(. داریم را آئورتی اندوتلیالی )8(. مختلف بافتهای در آن پراکندگی و المینین های واحد زیر 1- جدول سلول های برای را بیولوژی الگوهای میتواند IKVAV با یافته پپتیدهای توسط شده پوشیده پلی مری سطوح کند. مهیا PC12 آن ها آکسونی رشد بهبود و PC12 اتصال بهبود باعث IKVAV جهت IKVAV از استفاده با ارتباط در 31(. )32 می شود سه و بعدی دو محیط دو در PC12 سلول های رفتار مطالعه دو محیط در که طوری به آمد دست به متفاوتی نتایج بعدی در اما است شده آکسونی رشد افزایش باعث IKVAV بعدی PC12 سلولهای ماندن زنده افزایش باعث بعدی سه محیط از استفاده با تمایز دادن نشان جهت مطالعه این در است. شده و آکسونی( رشد دهنده )نشان MAP2 ژن دو بیان از qpcr سیناپس( تشکیل و بالغ نورونهای ي دهنده )نشان MeCP2 کمتر بعدی سه محیط در که شد داده نشان و شد استفاده شدن بالغ سمت به تمایز بیشتر و گرفته صورت آکسونی رشد است. بوده نورونها 5 Tyr Ile Gly Ser Arg ایزولوسین ههای اسیدآمین با توالی ها این از دیگر یکی IKVAV بازوی از C ي پایانه روی بر که یباشد م والین و آالنین والین لیزین رشد سلولی اتصال بهبود باعث که 1( )تصویر دارد قرار α 1 بزرگ توموری رشد و IV نوع کالژن تولید آنژیوژنز مهاجرت آکسونی.) ( یشود م شکل تغییر بیومتریال های که دادند نشان گذشته مطالعات در )36(. سلولی اتصال محل های و المینین- 111 از ساختاری مدل 1- تصویر 72 72

5 Downloaded from shefayekhatam.ir at 21: on Monday September 24th 2018 [ DOI: /acadpub.shefa ] مقاله مروري همچنین در این مطالعه برای اولین بار نشان داده شد که تمایز نورونی فقط وابسته به ترکیب سیگنال نیست بلکه به ابعاد محیط کشت نیز وابسته است. ابعاد محیط کشت تعیین می کند که آیا سلولها توسط یک جهت با سیگنالها در تماس است و یا در تمامی جهتها که خود بر آبشار پیامی تأثیر گذار است )33(. تحقیقات جدید بر روی موتیف IKVAV نشان م یدهد که تمایز نورونی بهبود پیدا کرده و همچنین ترمیم بافت مغز بعد از 6 هفته پس از پیوند بهتر صورت گرفته است )34(. نتیجه گیری ترمیم در پزشکی و زمینههای وابسته به مهندسی بافت یک منابع دوره دوم شماره اول زمستان 1392 راه امید بخش برای درمان آسیبهای مغزی است. استفاده از پپتیدهای فعال زیستی مشتق شده از ماتریکس خارج سلولی که میتواند عملکرد مولکولهای بزرگ ماتریکس خارج سلولی را تقلید کند یک راه در پیش رو در زمینه مهندسی بافت است. پیشرفت در پپتیدهای سنتزی ماتریکس خارج سلولی که همبستگی نزدیک با داربستها را دارد میتواند عملکردهای بیولوژیک خاص را توسط اتصال به رسپتورهای کلیدی و فعال کردن آبشاری پیامها بهبود ببخشد. اکنون که مدل ساختمانی از پروتئینها و تکنیک های پیشرفته برای آنالیز آنها به طور وسیعی در دسترس محققان است زمان آن رسیده است که محققان موتی فهای جدید و بدیع را برای استفاده در مهندسی بافت کشف کنند و بکار گیرند. 1. Yao S, Liu X, Wang X, Merolli A, Chen X, Cui F. Directing neural stem cell fate with biomaterial parameters for injured brain regeneration. Prog Nat Sci. 2013; 23: Ruoslahti E. Brain extracellular matrix. Glycobiology. 1996; 6(5): Li S, Edgar D, Fässler R, Wadsworth W, Yurchenco PD. The role of laminin in embryonic cell polarization and tissue organization. Dev Cell. 2003; 4(5): Li S, Liquari P, McKee KK, Harrison D, Patel R, Lee S, et al. Laminin sulfatide binding initiates basement membrane assembly and enables receptor signaling in Schwann cells and fibroblasts. J Cell Biol. 2005; 169(1): Kazanis I. Extracellular matrix and the neural stem cell niche. Dev Neurobiol. 2011; 71(11): Gullberg D, Ekblom P. Extracellular matrix and its receptors during development. Int J Dev Biol. 1995; 39(5): Miner JH, Yurchenco PD. Laminin functions in tissue morphogenesis. Annu Rev Cell Dev Biol. 2004; 20: Colognato H, Yurchenco PD. Form and function: the laminin family of heterotrimers. Dev Dyn. 2000; 218(2): Pradhan S, Farach-Carson MC. Mining the extracellular matrix for tissue engineering applications. Regen Med. 2010; 5(6): Nisbet DR, Crompton KE, Horne MK, Finkelstein DI, Forsythe JS. Neural tissue engineering of the CNS using hydrogels. J Appl Biomater. 2008; 87(1): Potter W, Kalil RE, Kao WJ. Biomimetic material systems for neural progenitor cell-based therapy. Front Biosc. 2008; 13: Kohane DS, Langer R. Polymeric biomaterials in tissue engineering. Pediatr Res. 2008; 63(5): Sisson K, Zhang C, Farach-Carson MC, Chase DB, Rabolt JF. Evaluation of cross-linking methods for electrospun gelatin on cell growth and viability. Biomacromolecules. 2009; 10(7): Zhang S, Gelain F, Zhao X. Designer self-assem bling peptide nanofiber scaffolds for 3D tissue cell cultures. Semin Cancer Biol. 2005; 15(5): Yamada M, Kadoya Y, Kasai S, Kato K, Mochizuki M, Nishi N, et al. Ile-Lys-Val-Ala-Val (IKVAV)- containing laminink1 chain peptides formamyloidlike brils. Febs Lett. 2002; 530(1-3): Aumailley M, Bruckner-Tuderman L, Carter WG, Deutzmann R, Edgar D, Ekblom P, et al. A simplified laminin nomenclature. Matrix biol. 2005; 24(5): Smyth N, Vatansever HS, Murray P, Meyer M, Frie C, Paulsson M, et al. Absence of basement membranes after targeting the LAMC1 gene results in embryonic lethality due to failure of endoderm differentiation. J Cell Biol. 1999; 144(1): Miner JH, Li C, Mudd JL, Go G, Sutherland AE. Compositional and structural requirements for laminin and basement membranes during mouse embryo implantation and gastrulation. Development. 2004; 131(10):

6 دوره دوم شماره اول زمستان 1392 Downloaded from shefayekhatam.ir at 21: on Monday September 24th 2018 [ DOI: /acadpub.shefa ] 19. Kleinman HK, Sephel GC, Tashiro KI, Weeks BS, Burrous BA, Adler SH, et al. Laminin in neuronal development. Ann N Y Acad Sci. 1990; 580(1): Ekblom P, Lonai P, Talts JF. Expression and biological role of laminin-1. Matrix Biol. 2003; 22(1): Ichikawa N, Iwabuchi K, Kurihara H, Ishii K, Kobayashi T, Sasaki T, et al. Binding of laminin-1 to monosialoganglioside GM1 in lipid rafts is crucial for neurite outgrowth. J Cell Sci. 2009; 122(2): Alpy F, Jivkov I, Sorokin L, Klein A, Arnold C, Huss Y, et al. Generation of a conditionally null allele of the laminin α1 gene. Genesis. 2005; 43(2): Ichikawa-Tomikawa N, Ogawa J, Douet V, Xu Z, Kamikubo Y, Sakurai T, et al. Lamininα1 is essential for mouse cerebellar development. Matrix Biol. 2012; 31(1): Yoshida N, Ishii E, Nomizu M, Yamada Y, Mohri S, Kinukawa N, et al. The laminin-derived peptide YIGSR (Tyr Ile Gly Ser Arg) inhibits human pre-b leukaemic cell growth and dissemination to organs in SCID mice. Br J Cancer. 1999; 80(12): Bilozur ME, Hay ED. Neural crest migration in 3D extracellular matrix utilizes laminin, fibronectin, or collagen. Developmental biol. 1988; 125(1): Iwamoto Y, Robey FA, Graf J, Sasaki M, Kleinman HK, Yamada Y, et al. YIGSR, a synthetic laminin pentapeptide, inhibits experimental metastasis formation. Science. 1987; 238(4830): Hubbell JA, Massia SP, Desai NP, Drumheller PD. Endothelial cell-selective materials for tissue engineering in the vascular graft via a new receptor. Biotechnology (N Y). 1991; 9(6): Jun HW, West JL. Endothelialization of microporous YIGSR/PEG-modified polyurethaneurea. Tissue Eng. 2005; 11(7-8): Huber M, Heiduschka P, Kienle S, Pavlidis C, Mack J, Walk T, et al. Modification of glassy carbon surfaces with synthetic laminin-derived peptides for nerve cell attachment and neurite growth. J Biomed Mater Res. 1998; 41(2): Tashiro Ki, Sephel G, Weeks B, Sasaki M, Martin G, Kleinman HK, et al. A synthetic peptide containing the IKVAV sequence from the A chain of laminin mediates cell attachment, migration, and neurite outgrowth. J Biol Chem. 1989; 264(27): Ranieri JP, Bellamkonda R, Bekos EJ, Gardella JA Jr, Mathieu HJ, Ruiz L, et al. Spatial control of neuronal cell attachment and differentiation on covalently patterned laminin oligopeptide substrates. J DEV Neuro. 1994; 12(8): Massia SP, Holecko MM, Ehteshami GR. In vitro assessment ofbioactive coatings for neural implant applications. J Biomed Mater Res A. 2004; 68(1): Li Q, Chau Y. Neural differentiation directed by self-assembling peptide scaffolds presenting lamininderived epitopes. J Biomed Mater Res A. 2010; 94(3): Cheng TY, Chen MH, Chang WH, Huang MY, Wang TW. Neural stem cells encapsulated in a functionalized self-assembling peptide hydrogel for brain tissue engineering. Biomaterials. 2012; 34: